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区块 DAG（Directed Acyclic Graph，有向无环图）

区块 DAG 是一种用于区块链的网状数据结构，与传统链式结构不同，它允许多个交易并行处理，提升系统扩展性和吞吐量。

一句话概括：DAG 是面向未来的新一代区块链，从单链进化到网状、从区块粒度细化到交易粒度、从单点跃迁到并发写入，是区块链从容量到速度的一次革新。

区块 DAG 是一种颠覆传统区块结构的创新方案，通过网状拓扑实现并行处理和高吞吐量，适用于物联网、高频交易等场景。

我们通过一个具体的例子深入理解 DAG（有向无环图）在区块链中的工作原理。假设我们有一个基于 DAG 的轻量级支付系统（类似 IOTA 的 Tangle），以下是详细的操作流程：

场景设定

目标：用户 A 向用户 B 发送 10 元，用户 C 向用户 D 发送 5 元。

系统要求：

  1. 交易无需矿工打包，直接广播网络；
  2. 每笔新交易必须验证之前的两笔交易（防止双花）；
  3. 交易通过引用历史交易达成共识。

交易1（Tx1）

  • 发送方：用户A \(\rightarrow\) 用户B
  • 金额：10元
  • 引用：无（初始交易）
  • 签名：A 的私钥签名

交易2（Tx2）

  • 发送方：用户C \(\rightarrow\) 用户D
  • 金额：5元
  • 引用：无（初始交易）
  • 签名：C 的私钥签名

此时 DAG 中有两个独立交易，彼此无关。

交易3（Tx3）

  • 发送方：用户B \(\rightarrow\) 用户E
  • 金额：8元
  • 引用：必须引用 Tx1 和 Tx2（验证前两笔交易的有效性）
  • 签名：B 的私钥签名

验证逻辑：B 需要证明自己拥有 Tx1 中收到的 10 元（余额足够支付 8元），系统检查 Tx3 是否同时引用 Tx1 和 Tx2（防止用户恶意跳过验证）

  1. 广播：Tx3 被发送到网络中的所有节点；
  2. 验证：每个节点检查 Tx3 是否签名有效（B 的签名）；检查 Tx3 引用的 Tx1 和 Tx2 是否已经被确认（未被双花）
  3. 确认：如果验证通过，Tx3 被标记为"已确认"，并成为后续交易的引用基础。

假设用户 A 尝试作弊：

  • 交易4（Tx4）：A 发送同一笔 10 元给用户 F，并引用 Tx1 和 Tx3；
  • 问题：Tx1 已经被 Tx3 引用，但 Tx4 试图再次使用 Tx1 的余额。

系统如何解决？

  1. 拓扑排序：节点根据时间戳对交易排序，Tx4 必须晚于 Tx3；
  2. 共识规则：如果一个交易引用的 UTXO（未花费交易输出）已被其他交易使用，则后续交易无效；
  3. 结果：Tx4 被标记为"无效"，拒绝加入 DAG。

最终交易之间的引用关系形成如下网状结构：

graph TB
    Tx1[Tx1 A->B]
    Tx2[Tx2 C->D]
    Tx3[Tx3 B->E]

    Tx3 --> Tx1
    Tx3 --> Tx2
  • 方向性： Tx3 引用了 Tx1 和 Tx2，但 Tx1 无法反向引用 Tx3；
  • 无环性：不存在循环引用，确保数据一致性。

Q&A

双花防护机制

DAG 通过以下规则防止双花：

  1. UTXO 消费标记：每笔交易引用 UTXO 后，立即将其标记为"已消费"；
  2. 拓扑排序验证：节点按时间顺序处理交易，确保后续交易无法引用已处理的 UTXO；
  3. 冲突检测：若两个交易尝试引用同一 UTXO，后发生的交易会被拒绝。

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